Introduction

Le gaz naturel est une source d’énergie majeure utilisée pour chauffer les maisons, produire de l’électricité et alimenter les véhicules. Il est principalement composé de méthane, un puissant gaz à effet de serre. Bien que la combustion du gaz naturel génère moins d’émissions que celle du charbon et du pétrole, le gaz naturel pose des défis environnementaux lors de son extraction et de son utilisation. Ce laboratoire utilise le format d’ateliers d’activités pour aider les élèves à explorer la science du gaz naturel, de sa formation à sa combustion.

Objectifs des élèves

Les élèves seront capables de :

• Simuler et analyser la production de méthane à l’aide de processus biologiques, et expliquer le lien avec la formation du gaz naturel dans les sites d’enfouissement et les systèmes de biogaz.
• Modéliser et évaluer le processus de fracturation hydraulique, en identifiant comment la perméabilité et les couches rocheuses influencent l’extraction et les risques environnementaux potentiels.
• Mesurer et comparer les changements de température de l’eau pour évaluer le transfert de chaleur relatif de différents combustibles dans une simulation de combustion.
• Construire une carte conceptuelle du cycle de vie du gaz naturel, illustrant les étapes clés de la formation à l’utilisation, et identifiant les avantages et les défis environnementaux à chaque étape.

Matériel

• Document de travail de l’élève (par élève)

Préparation par l’enseignant

Atelier 1 : Simulation de la formation et de la capture du méthane

Pour préparer cet atelier, l’enseignant dispose le sucre, la cuillère à thé, la levure et les ballons sur le côté. Selon l’aménagement de la classe, les élèves peuvent obtenir de l’eau tiède aux lavabos de la classe (si disponibles) ou avoir une cruche d’eau tiède sur la table. Comme les entonnoirs, les fioles, les règles et les chronomètres sont réutilisables, 2 à 3 par atelier suffiront.
(Remarque : plus d’un groupe peut occuper cet atelier à la fois, si l’espace le permet.)

Marche à suivre
Incluse dans le Document de travail de l’élève, avec un tableau de données pour noter les observations et les questions d’analyse.

1. Ajoutez 1 c. à thé de sucre et 1 sachet (ou 2 c. à thé) de levure dans une fiole.
2. Avec l’entonnoir, ajoutez de l’eau tiède pour remplir le tiers de la fiole et remuez doucement.
3. Placez un ballon bien serré sur l’ouverture de la fiole.
4. Observez pendant 15 minutes, en mesurant le diamètre avec la règle ou le ruban à mesurer toutes les 5 minutes, en notant vos mesures dans le tableau de données.
5. Notez toute observation supplémentaire (couleur, odeur, bulles, etc.) dans le tableau de données.
6. Rangez l’aire de travail, rincez la bouteille, jetez le ballon et remettez tout le matériel à sa place.

Atelier 2 : Simulation de la fracturation hydraulique et de la perméabilité

Pour préparer cet atelier, l’enseignant dispose l’argile, les éponges et le sable. L’eau colorée peut être préparée à l’avance (colorant alimentaire et eau) et mise à la disposition des élèves dans une cruche. Comme les contenants et les seringues sont réutilisables, 2 à 3 par atelier suffiront.
(Remarque : plus d’un groupe peut occuper cet atelier à la fois, si l’espace le permet.)

Marche à suivre
Incluse dans le Document de travail de l’élève, avec un tableau de données pour noter les observations et les questions d’analyse.

1. Créez des couches dans votre contenant transparent. Commencez (au fond) par une couche de sable d’environ 2,5 cm, représentant le réservoir de gaz.
2. Ensuite, ajoutez une couche d’argile d’environ 2,5 cm, représentant la roche de couverture.
3. Enfin, ajoutez une couche d’éponge d’environ 2,5 cm, représentant la roche poreuse.
4. Remplissez la seringue avec 20 ml d’eau colorée.
5. Injectez l’eau colorée dans la couche de sable au fond, en insérant la seringue sur le côté du contenant.
6. Observez comment et où le liquide se déplace, et notez vos observations dans le tableau de données.
7. Rangez l’aire de travail, remplacez les couches réutilisables et jetez celles qui ne le sont pas (p. ex. le sable), rincez le contenant et remettez tout le matériel à sa place.

Atelier 3 : Simulation de l’énergie de combustion et des émissions

Comme cet atelier implique une flamme et nécessite une surveillance très attentive, l’enseignant peut choisir d’en faire une démonstration plutôt qu’un atelier pour les élèves.

Rappel de sécurité :
Un seul groupe doit effectuer cette expérience à la fois, en raison de l’utilisation de flammes et de substances réactives. Tous les élèves doivent porter des lunettes de sécurité et utiliser des pinces ou des gants résistants à la chaleur pour manipuler des matériaux chauds ou chimiques.

Consignes de préparation pour l’enseignant
Disposez le matériel dans trois zones d’approvisionnement distinctes pour organiser efficacement l’équipement :

Zone A – Sources de chaleur :

• Brûleur à gaz naturel
• Grande bougie
• Briquet
• Contenant de gel à l’éthanol

Zone B – Équipement de sécurité :

• Lunettes de sécurité
• Gants résistants à la chaleur
• Support-trépied
• Pinces pour bécher

Zone C – Matériel d’essai :

• Trois petites canettes
• Cruche d’eau (si un lavabo n’est pas disponible à proximité)
• Thermomètre
• Petit bécher

Recommandation d’aménagement :
Disposez les zones d’approvisionnement le long d’un comptoir, d’un banc ou d’une table latérale, en séquence (A → B → C), pour permettre un accès clair et une séparation entre les catégories. Ces zones sont destinées à la préparation de l’enseignant et à l’accès des élèves durant les portions guidées, et ne font pas partie du cycle de rotation des élèves.

Marche à suivre
Incluse dans le Document de travail de l’élève, avec un tableau de données pour noter les observations et les questions d’analyse.

1. Préparez trois canettes métalliques identiques, chacune contenant 50 ml d’eau.
2. Notez la température initiale à l’aide d’un thermomètre et inscrivez cette donnée dans le tableau de données.
3. Placez le trépied et la bougie au centre de votre aire de travail.
4. Placez la canette d’eau sur le trépied au-dessus de la bougie. Assurez-vous que la canette est bien stable.
5. Allumez la bougie et démarrez immédiatement un chronomètre. Laissez l’eau chauffer pendant exactement 3 minutes.
6. À la marque des 3 minutes, éteignez la flamme. Mesurez la température immédiatement après et notez la température finale de l’eau dans le tableau de données.
7. Notez toute observation supplémentaire, comme de la suie, une odeur, de la fumée, etc.
8. Laissez la canette métallique sur le trépied refroidir pendant une minute. Puis, à l’aide des pinces pour bécher, retirez soigneusement la canette et placez-la dans un endroit sûr pour qu’elle refroidisse.
9. Retirez soigneusement la bougie et remplacez-la par le contenant de gel à l’éthanol.
10. Placez la deuxième canette d’eau sur le trépied au-dessus du contenant de gel à l’éthanol.
11. Allumez le gel à l’éthanol et répétez la procédure une nouvelle fois, en remplissant votre tableau de données.
12. Pour éteindre la flamme du gel à l’éthanol, utilisez les pinces pour bécher afin de fixer le couvercle sur le contenant.
13. Retirez le contenant de gel à l’éthanol avec les pinces pour bécher et placez-le dans un endroit sûr pour qu’il refroidisse.
14. Placez le brûleur à gaz naturel sous le trépied. Placez la troisième canette d’eau sur le trépied.
15. Allumez le brûleur à gaz naturel, réglez-le à une flamme haute constante, et répétez la procédure de chauffage de 3 minutes.
16. Rangez l’aire de travail, videz et rincez les contenants (utilisez les pinces pour bécher afin de refroidir les canettes métalliques avec de l’eau froide, pour qu’elles soient sécuritaires pour le groupe suivant), et remettez tout le matériel à sa place.

Activité de clôture

Incluse dans le document de travail de l’élève, les élèves dessineront une carte conceptuelle montrant le cycle de vie du gaz naturel.
Formation → Extraction → Combustion → Utilisation → Impact environnemental
Pour chaque section, les élèves ajouteront une description, ainsi que des notes concernant les avantages et les impacts à chaque étape, le cas échéant.

Corrigé

Le Guide de l’élève contient les questions du Laboratoire d’exploration du gaz naturel – Élève.

Atelier 1 : Corrigé des questions d’analyse
Question 1 : Le ballon se gonfle en raison de la production de dioxyde de carbone lorsque la levure décompose le sucre pendant la respiration anaérobie (fermentation). Le gaz s’accumule dans le ballon, ce qui le fait gonfler.
Question 2 : Cela simule la digestion microbienne dans les sites d’enfouissement ou les biodigesteurs, où des microbes décomposent les déchets organiques et libèrent des gaz comme le méthane et le dioxyde de carbone. Les similarités incluent la décomposition microbienne de matière organique et la production de gaz qui peut être capté. Les différences incluent le fait que le modèle à la levure produit principalement du dioxyde de carbone, alors que la digestion microbienne réelle produit un mélange de méthane et de dioxyde de carbone. Les microbes des sites d’enfouissement travaillent aussi dans des environnements pauvres en oxygène, et prennent plus de temps.

Atelier 2 : Corrigé des questions d’analyse
Question 1 : La seringue injectant de l’eau colorée représente un liquide à haute pression injecté dans les couches rocheuses. Les similarités incluent la fracturation qui se forme dans les couches rocheuses, et la façon dont le liquide se déplace dans la matière poreuse une fois la fracture formée. Les différences incluent le fait que la fracturation hydraulique réelle utilise des pressions extrêmes et de la roche réelle en profondeur.
Question 2 : Les risques environnementaux possibles incluent la contamination si des liquides souterrains s’infiltrent par des couches fissurées, la sismicité induite (petits tremblements de terre), l’élimination des eaux usées et les déversements en surface, ainsi que la perturbation des habitats due à l’activité de forage.

Atelier 3 : Corrigé des questions d’analyse
(Voir Translation Notes — cette section diffère de celle du document Corrigé principal.)
Question 1 : Les réponses varieront.
Question 2 : Les réponses varieront.

Corrigé de l’activité de clôture (exemples de réponses)
Formation : la matière organique est enfouie et comprimée pendant des millions d’années sous l’effet de la chaleur et de la pression, formant le gaz naturel. Un avantage est la formation d’une ressource énergétique abondante. Un impact est que cette source d’énergie n’est pas renouvelable et pourrait laisser échapper du méthane pendant l’extraction.
Extraction : le forage et la fracturation hydraulique libèrent le gaz naturel des réservoirs souterrains. Les avantages incluent un rendement énergétique élevé et la création d’emplois. Les impacts incluent le risque de contamination des eaux souterraines et la perturbation des habitats.
Combustion : le gaz naturel est brûlé pour le chauffage, l’électricité et le transport. Les avantages incluent une grande efficacité et moins de particules que la combustion du charbon ou du pétrole. Les impacts incluent les émissions de dioxyde de carbone.
Utilisation : l’énergie produite avec le gaz naturel est utilisée dans les centrales électriques, les maisons, les usines et les véhicules. Un avantage de l’énergie au gaz naturel est qu’elle émet moins que d’autres combustibles fossiles. Un impact est le coût élevé des investissements en infrastructure.
Impact environnemental : émissions de gaz à effet de serre, risque de fuites de méthane, et contamination de l’eau et des sols. Un avantage du gaz naturel est qu’il sert de « combustible de transition » entre les combustibles fossiles et les sources d’énergie à plus faibles émissions. Cependant, il continue de contribuer à la pollution de l’air par ses émissions de dioxyde de carbone.

Corrigé des questions de conclusion
Question 1 : Rendement énergétique élevé, moins d’émissions que le charbon ou le pétrole, produit moins de suie et de particules, fiable et largement accessible, utile de plusieurs façons, y compris le chauffage, la production d’électricité et comme carburant pour le transport.
Question 2 : Émet du dioxyde de carbone lorsqu’il est brûlé, risque de fuites de méthane (le méthane est un puissant gaz à effet de serre), risque de contamination des eaux souterraines lié à la fracturation hydraulique, perturbation des habitats et du paysage due à l’extraction.
Question 3 : L’amélioration des techniques de forage réduit les fuites et les déversements; les technologies de capture du méthane et de détection des fuites; la recherche sur la capture et le stockage du carbone; la transition vers des sources d’énergie à plus faibles émissions; les réglementations de surveillance pour protéger la qualité de l’eau et de l’air.